[发明专利]一种基于现场可编程门阵列的模块化多电平换流器实时仿真建模方法

说明书

技术领域

本发明属于电力系统仿真试验技术领域，尤其涉及一种应用现场可编程门阵列实现模块化多电平换流器实时仿真建模的方法。

背景技术

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的高压直流输电是柔性直流输电技术向高电压大功率发展的最新成果。模块化多电平换流器以其开关频率低、输出波形质量好、对开关一致性要求低、扩展性好等独特优势，已成为研究热点，并取得越来越多的工程应用。MMC的实时或实物仿真更接近工程实际，可用于实际工程投运前控制保护装置的开发和调试，对系统规划、设计和运营具有重要的指导意义。

实际工程中为获得较高电压等级，MMC桥臂通常由数百个子模块(sub-module,SM)级联组成，每个子模块中又包含若干高频开断的电力电子器件。而在实时仿真中，电磁暂态程序采用定步长求解，难以对电力电子开关器件进行插值处理，因此需要采用数微妙的小步长仿真，以提高仿真精度。另一方面，每个仿真步长内电力电子器件开关状态的变化，都需要对高阶节点导纳矩阵重新生成和求解，给MMC的实时仿真带来巨大的挑战。

现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)是一种并行架构的芯片，具备分布式内存、流水线结构以及可扩展的高速IO口，可实现高度并行的数值计算和快速的数据通信，基于FPGA的电力系统实时仿真技术近年来越来越受到重视。现有的实时数字仿真器(real-time digital simulator,RTDS)中基于FPGA的MMC桥臂模型元件封装度较高，只提供半桥和全桥子模块的仿真功能，用户不能在此平台上仿真研究其他拓扑类型的子模块，且能够仿真的子模块层级故障类型有限，灵活性较差。

鉴于此，本发明设计了一种基于现场可编程门阵列的模块化多电平换流器实时仿真模型，能够精确模拟模块化多电平换流器系统的运行特性，且能够方便实现仿真规模、系统参数、子模块拓扑的灵活配置。

发明内容

本发明提供一种基于现场可编程门阵列的模块化多电平换流器实时仿真建模方法，其具体步骤包括：

步骤1：根据子模块的不同工作状态建立单个子模块投入、旁路及闭锁时的戴维南等效电路，并通过累加得到单个桥臂的戴维南等效电路。将模块化多电平换流器同一桥臂的子模块分为m组，每组包含n个子模块，每组子模块对应一条计算流水线；

步骤2：将FPGA与实时数字仿真器相连；

步骤3：将FPGA与阀级物理控制器相连；

步骤4：FPGA从实时数字仿真器采集MMC的一次系统配置信息和运行信息，配置信息包括单个桥臂的子模块个数，单个子模块电容值，运行信息为电容电流。

步骤5：FPGA从阀级物理控制器采集各个子模块的触发控制信息；

步骤6：FPGA根据采集到的桥臂电流和子模块电容值，计算得到同一桥臂中处于投入状态的子模块的电容电压增量，并将电容电压增量及子模块触发控制信息分配到m条流水线中。

步骤7：各个流水线同步并行计算，在每个流水线内部，计算完成n个子模块电容电压的更新，并计算得到单个桥臂的戴维南等值电压和等值电阻。

步骤8：FPGA将步骤7中计算得到的桥臂等值电压和等值电阻发送到实时数字仿真器中，每个桥臂的计算结果等效为一个受控戴维南支路。

步骤9：FPGA将步骤7中更新的子模块电容电压发送到阀级物理控制器中。

建立单个子模块戴维南等值电路过程中，将电力电子开关器件等效为阻值在通态电阻R_ON(典型值10^-2Ω)与断态电阻R_OFF(典型值10⁶Ω)间切换的等值电阻，由于R_ON远小于R_OFF，在保证仿真精度的情况下，近似认为R_OFF为无穷大。对子模块电容采用后退欧拉法将其离散化，更新子模块电容电压的计算式为：

V_C(t)＝V_C(t-ΔT)+R_CI_C(t) (1)

其中，R_C为子模块电容电阻；ΔT为仿真步长；V_C(t)和V_C(t-ΔT)当前时刻和上一时刻子模块电容电压；I_C(t)为流过子模块电容电流。